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900m跨组合钢箱梁斜拉桥方案试设计

2020-11-07 来源:世旅网
58 桥梁结构 DOI:10.16799/j.cnki.csdqyth.2016.03.017 城市道桥与防洪 2016年O3月第03期 900 m跨组合钢箱梁斜拉桥方案试设计 汤虎 (上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司,上海市200092) 摘要:本文假定某跨海峡工程背景,以900 In大跨度为目标进行组合钢箱梁斜拉桥方案试设计,通过成桥状态结构受力分析, 探讨该桥的动静力性能,同时证明该方案是可行的。相比于钢主梁斜拉桥,该桥型可提高桥面系局部刚度、解决正交异性钢桥面 板疲劳及桥面铺装易损问题。拓展组合钢箱梁斜拉桥的适用跨径,是适应未来跨江海大桥工程建设需求的选择之一。 关键词:斜拉桥;组合钢箱梁;桥梁设计;方案 中图分类号:U448.27 文献标志码:B 文章编号:1009—7716(2016)03—0058—04 0引言 目前,我国最大跨径钢箱组合梁斜拉桥为主 跨480 In的椒江二桥,其次为主跨420 in的东海 大桥主航道桥。传统认为,超过700 ITI的斜拉桥应 当选择钢桥面形式,该结论是基于传统钢板梁组 合梁抗风性能的不足而得出的,而封闭箱型截面 组合梁弥补了开口截面组合梁抗风性能的不足, 显然,进一步提高组合钢箱梁斜拉桥最大跨度纪 录的机遇和挑战是并存的。 本文假定某跨海峡工程背景,以900 in大跨 度为目标进行组合钢箱梁斜拉桥方案试设计,探 讨进一步拓展组合梁斜拉桥跨径的可能性。 长江沿线及预期大部分跨海工程的设计要求。设 计基准风速、颤振检验风速、风载系数按《公路桥 1桥址区基础资料及计算荷载 1.1桥址区基础资料 对大多数桥址建设条件而言,传统的双塔扇 形双索面自锚体系全组合梁斜拉桥结构具有更大 的普遍性,本文的方案试设计及验证也是针对这 类斜拉桥,其中桥址区基础资料如下: (1)技术标准。公路桥梁,横断面布置及桥面宽 度要求与苏通大桥等国内大多数公路桥梁相同,主 梁宽度为36 m(不含风嘴),双向6车道+紧急停 车带,荷载采用公路一I级,按双向8车道设计。 梁抗风设计规范》(JTG/T D60—0l一2004)相关条款 进行计算。 (4)结构材质。主梁钢结构以Q345qD为主,部 分范围可采用Q370qD;桥塔采用C50混凝土,主 梁混凝土桥面板采用C60混凝土。斜拉索采用 7 mm镀锌平行钢丝成品索,抗拉强度1 860 MPa, 主力作用下控制最大应力744 MPa。 (5)地震动。假定为Ⅵ度区,地震设计不控制。 1.2计算荷载 在对试设计方案进行论证时,着重对以下几 种控制性荷载组合进行分析:(1)运营组合,恒+沉 降+温度+运营风+活+制动力;(2)百年风组合, 恒+沉降+温度+百年风;(3)主力组合,恒+沉 降+活+制动力。同时,分别进行刚成桥时和成桥 10年后考虑收缩徐变两种情况。 2试设计方案概述 拟定的组合梁斜拉桥试设计方案的跨径布置 为144 m+261 m+900 m+261 m+l44 m,如图1所 (2)桥下净空。按当前最大通航要求设计,满 足桥下净空不少于65 1TI。 (3)设计风速。假定桥址设计基本风速 0= 40 m/s,按A类场地计算风速剖面,基本可以覆盖 收稿日期:2015一l2—1O 示。边跨设置一个辅助墩,边中跨比为0.45。采用 漂浮体系,索塔下横梁处可设置阻尼缓冲装置或 弹性连接限制主梁纵漂位移。 索塔采用横桥向钻石型、顺桥向直立单柱式 混凝土塔柱,如图2所示,混凝土标号为C50,桥塔 塔高242 in,桥面以上高度175 m,索塔塔高比 0.194,锚索区高度为57.6 ITI(32×1.8 m)。桥塔截 面尺寸为:下塔柱顺桥向宽度13~11 131,横桥向宽 基金项目:“973”国家重点基础研究发展计划(2013CB03600) 作者简介:汤虎(1986一),男,江苏宝应人,工程师,从事桥梁设 计工作。 度10~7 m,塔柱顺桥向和横桥向壁厚均为1.8 in; 中塔柱顺桥向宽度11-9.5 In,横桥向宽度7-6.5 In, 2016年03月第03期 城市道桥与防洪 桥梁结构59 图1主跨900 m组合梁斜拉桥总体立面布置(单位:m) 塔柱顺桥向和横桥向壁厚均为1.3 m;上塔柱顺桥 向宽度9.5~8 m,横桥向宽度9 m,塔柱顺桥向和 横桥向壁厚均为1.3 m。 冉 曲面 1 拉索 图2主跨900 m组合梁斜拉桥索塔布置(单位:m) 主梁采用流线型扁平组合钢箱梁,如图3所 示,梁高3.0 m,沿桥长不变,主梁高宽比为1/300; 箱梁全跨39 m(含风嘴),主跨宽跨比为1/23.1。混 凝土桥面板宽33 m,钢底板宽25.4 m。主梁混凝 土标号为C60,混凝土面板一般厚度25 cm,在腹 板顶附近加厚至45 em,边跨和塔根无索区的混凝 土板均加厚至45 em。钢结构材质为Q345qD,斜腹 板厚40 mm,腹板上翼缘厚24 mm,但在塔根及边 墩、辅助墩顶附近主梁钢板局部加厚,斜腹板和腹 板上翼缘厚分别增加60 mm和40 mm。钢梁底板 为了适应主梁轴力变化以及抵抗近塔区横向风引 起的侧弯,弯曲需要采用变厚布置,厚度变化范围 为16~32 mm,底板采用u形加劲肋,加劲肋板厚 8 mm。主梁横隔梁采用桁架形式,横隔梁顺桥向间 距4.5 m,横隔梁板厚16 mm,上翼缘板厚24 mm。 主梁钢结构部分和混凝土面板之间通过设置剪力 钉实现结合传力。剪力钉采用直径22 mm的圆头 焊钉,其长度除上翼缘钢板两端为450 mm外,其 余均为200 mm。剪力钉根据受力大小布置。 全桥斜拉索共计256(32×4×2)根,规格为 PES7—187~PES7—421(1 860 MPa),单索最大长度 约475 m,中跨索距l3.5 m,边跨索距采用10.5 m 图3主跨900 m组合梁斜拉桥组合梁横断面布置【单位:m) 和l3.5 m两种。其中,B32~B1为边跨梁端至塔根 处32根拉索编号,M1~M32为中跨塔根处至跨中 处32根拉索编号。 结构分析采用TDV RM Bridge有限元程序, 主梁、主塔和桥墩采用梁单元模拟,拉索采用杆单 元模拟,整体计算模型如图4所示。 _ 图4整体计算模型 3成桥状态结构静力性能分析 3.1成桥状态 优化后的成桥恒载状态主梁弯矩和主梁应力 如图5 图7所示。可以看出:主梁在主塔处及辅 助墩处弯矩相对较大,其余部分弯矩均很小,主梁 轴力则随着与桥塔位置的缩短而逐渐增加。钢梁 上、下翼缘应力相差不大,尤其是中跨主梁,基本处 于轴心受压状态,上、下翼缘的最大压应力值分别 为99.2 MPa、121.5 MPa,基本无拉应力出现;同样, 混凝土桥面板上、下翼缘应力也相差不大,最大压 应力值分别为17.6 MPa、17.3 MPa,无拉应力出现。 3.2结构静力荷载总响应 方案试设计过程主要考虑了表1所列的六种 控制性荷载组合进行分析计算,得到的不同组合 工况下各构件最大应力见表1,最不利组合下主梁 上、下翼缘、混凝土桥面板、桥塔应力分别如图8一 图11所示。 从图表中可以看出,钢梁上翼缘最大压应力 为组合4工况的182.8 MPa,发生在桥塔附近,组合1 工况下钢梁上翼缘拉应力达到最大值,为8.4 MPa, 出现在边跨梁端截面;钢梁下翼缘最大压应力为 组合4工况的197.7 MPa,发生在辅助墩和塔根附 近,最大拉应力为组合1工况的50.3 MPa,发生在 跨中附近;组合3工况的混凝土板最大压应力最 不利,塔根处压应力最大,达到23.3 MPa,在组合4 工况下混凝土板在跨中附近出现4.4 MPa的拉应 力,需说明的是,组合4工况是成桥l0年后的百 年风短暂工况;组合2工况下,桥塔最大压应力 18.8 MPa,发生在下塔柱顶端截面的横桥向截面;而 2016年03月第03期 m。 ;kN/城市道桥与防洪 桥梁结构61 20000MiniⅢum—l8768.9 louu n …. 一 -。 :  ̄: ;:暑=;二}平}:r竹 下广r丌T1 I ll l l II『f} /JUB 4UUb LR)U9 4U Z 4U Lb 4UIB 4UZl ̄A)Z4 4UZ r 4U3U 4U32 4U34 42UI 4ZU 428b 4Zll 4Zl r 4223 4229 4Z3b 4241 图11桥塔应力最不利组合 盏 蠹撼蘸蠢潮垂 ~ 。… 矗褥衔 鞲 }¨ r 在组合3工况下,下塔柱顶截面位置将出现0.8 MPa 的最大拉应力。参照类似工程经验,考虑桥塔配筋 后亦可满足截面承载力要求;拉索应力最大值较为 均匀,基本在600~700 MPa,应力幅不超过180 MPa。 由上述计算结果可以看出,试设计的主跨900 m 3.4结构抗风稳定性评估 采用空间动力有限元分析,结构在成桥状态 下的典型动力特性见表3,颤振临界风速可按规范 进行估算,颤振检验风速由设计基准风速乘以风 速脉动修正系数得到。 表3动力特性与颤振稳定性检验 组合钢箱梁斜拉桥的主梁、桥塔、拉索受力均处于 安全范围之内,表明试设计方案可行,构件尺寸合 理。 3.3结构静力稳定性评估 本文按第一类稳定分析对900 m跨组合钢箱 梁斜拉桥成桥状态下在不同计算工况下的结构稳 定安全系数进行了计算,结果见表2。结构在主跨 满布荷载时一阶稳定系数为4.165,为所有工况中 最小,但仍满足规范要求。 表2成桥状态下一阶稳定系数 以上计算表明,本文拟定的主跨900 m组合 钢箱梁斜拉桥试设计方案在设计风速vslO=40 m/s 工况下,按规范分别取主梁截面形状系数、攻角系 数为0.8和0.8对颤振临界风速进行折减后,临界 风速仍远高于检验风速,初步说明试设计方案满 足风致颤振稳定性要求。 4结语 成桥状态结构受力分析证明主跨900 m的组 合梁斜拉桥方案是可行的。与钢主梁斜拉桥相比, 钢一混凝土组合梁斜拉桥具有如下优点:(1)利用 混凝土板受压,可改善主塔附近加劲梁抗压性能; (2)增加桥梁抗弯、抗扭整体刚度;(3)组合梁的混 凝土桥面板代替正交异性钢桥面板,提高了桥面 板局部刚度,很好地解决钢箱梁钢结构疲劳及桥 面铺装易损坏的问题。从经济性和耐久性考虑,拓 展组合梁斜拉桥的适用跨径、在更大跨度范围内 与钢斜拉桥形成竞争,是适应未来跨江海大桥工 程建设需求的选择之一。 七 七七々七 七七七电七 七七七七七七 七|电|七七七电七七七七七| 七七七七七七七七电| 七七|七七七七七七七七七七々| 七电七七七七’七七七 七七七七七々七七七七七七七七七七七七七七 上海轨交2025年前将规划再建设9条线路全长约250 km 近日,上海市轨道交通近期建设规划(2O17—2025)环境影响评价公示,公示显示,本次建设规划预计 由9条线路组成,全长约250 km,具体线路和长度根据建设规划研究情况进行适当调整。 

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